Atom bombasının ulu babası. Uranın nüvə parçalanması

6. Atomaltı hissəciklər dünyası

Atomun parçalanması

Çox vaxt deyirlər ki, elmlər iki növdür - böyük elmlər və kiçik elmlər. Atomun parçalanması böyük bir elmdir. Onun nəhəng eksperimental obyektləri, böyük büdcələri var və Nobel mükafatlarının ən böyük payını alır.

Nə üçün fiziklərə atomu parçalamaq lazım idi? Sadə cavab - atomun necə işlədiyini başa düşmək üçün - həqiqətin yalnız bir hissəsini ehtiva edir, lakin daha ümumi səbəb var. Atomun parçalanması haqqında hərfi mənada danışmaq tamamilə doğru deyil. Reallıqda söhbət yüksək enerjili hissəciklərin toqquşmasından gedir. Yüksək sürətlə hərəkət edən atomaltı hissəciklər toqquşduqda yeni qarşılıqlı təsirlər və sahələr dünyası yaranır. Nəhəng enerji daşıyan, toqquşmalardan sonra səpələnən materiya parçaları atomun dərinliklərində “dünyanın yaradılmasından” qalan təbiətin sirlərini gizlədir.

Yüksək enerjili hissəciklərin toqquşduğu qurğular - hissəcik sürətləndiriciləri öz ölçüləri və qiymətləri ilə diqqəti cəlb edir. Onlar bir neçə kilometr eninə çatırlar, hətta hissəciklərin toqquşmasını tədqiq edən laboratoriyalar da nisbətən kiçik görünür. Digər sahələrdə elmi araşdırma avadanlıq laboratoriyada yerləşir, yüksək enerjili fizikada laboratoriyalar sürətləndiriciyə qoşulur. Bu yaxınlarda Cenevrə yaxınlığında yerləşən Avropa Nüvə Tədqiqatları Mərkəzi (CERN) halqa sürətləndiricisinin tikintisinə bir neçə yüz milyon dollar ayırıb. Bu məqsədlə tikilən tunelin ətrafı 27 km-ə çatır. LEP (Böyük Elektron-Pozitron halqası) adlanan sürətləndirici elektronları və onların antihissəciklərini (pozitronlarını) işıq sürətindən bir tük qədər uzaq olan sürətlərə çatdırmaq üçün nəzərdə tutulub. Enerji miqyası haqqında bir fikir əldə etmək üçün təsəvvür edin ki, elektronlar əvəzinə bir qəpik sikkə belə sürətlərə qədər sürətlənir. Sürətlənmə dövrünün sonunda onun 1000 milyon dollar dəyərində elektrik enerjisi istehsal etmək üçün kifayət qədər enerjisi olacaq! Təəccüblü deyil ki, bu cür təcrübələr adətən “yüksək enerji” fizikası kimi təsnif edilir. Halqa içərisində bir-birinə doğru hərəkət edən elektron və pozitron şüaları baş-başa toqquşmalarla qarşılaşır, bu toqquşmalarda elektronlar və pozitronlar məhv olur və onlarla başqa hissəciklər yaratmaq üçün kifayət qədər enerji buraxır.

Bu hissəciklər nədir? Onlardan bəziləri bizim qurulduğumuz “tikinti blokları”dır: atom nüvələrini təşkil edən protonlar və neytronlar və nüvələrin ətrafında fırlanan elektronlar. Başqa zərrəciklərə adətən ətrafımızdakı maddədə rast gəlinmir: onların ömrü olduqca qısadır və müddəti bitdikdən sonra adi hissəciklərə parçalanır. Belə qeyri-sabit qısamüddətli hissəciklərin növlərinin sayı heyrətamizdir: onlardan bir neçə yüz artıq məlumdur. Ulduzlar kimi, qeyri-sabit hissəciklər də adları ilə müəyyən edilə bilməyəcək qədər çoxdur. Onların bir çoxu yalnız yunan hərfləri ilə, bəziləri isə sadəcə rəqəmlərlə göstərilir.

Nəzərə almaq lazımdır ki, bütün bu çoxsaylı və müxtəlif qeyri-sabit hissəciklər heç bir halda sözün əsl mənasında deyil. komponentlər protonlar, neytronlar və ya elektronlar. Toqquşma zamanı yüksək enerjili elektronlar və pozitronlar çoxlu atomaltı fraqmentlərə səpələnmir. Hətta açıq-aydın başqa cisimlərdən (kvarklardan) ibarət olan yüksək enerjili protonların toqquşmalarında belə, onlar, bir qayda olaraq, adi mənada öz tərkib hissələrinə bölünmürlər. Bu cür toqquşmalarda baş verənlərə toqquşmanın enerjisindən birbaşa yeni hissəciklərin yaranması kimi baxmaq daha yaxşıdır.

Təxminən iyirmi il əvvəl fizikləri sonu olmayan yeni subatom hissəciklərinin sayı və müxtəlifliyi tamamilə çaşdırmışdı. Başa düşmək mümkün deyildi Nə üçün bu qədər hissəciklər. Ola bilər, elementar hissəciklər gizli ailə mənsubiyyəti ilə zoopark sakinlərinə bənzəyir, lakin heç bir aydın taksonomiyası yoxdur. Yoxsa, bəzi optimistlərin inandığı kimi, elementar hissəciklər kainatın açarını saxlayır? Fiziklərin müşahidə etdiyi hissəciklər hansılardır: maddənin əhəmiyyətsiz və təsadüfi fraqmentləri və ya gözümüzün qabağında yaranan, subnüvə dünyanın zəngin və mürəkkəb strukturunun mövcudluğunu göstərən qeyri-müəyyən qəbul edilən nizamın konturları? İndi belə bir strukturun mövcudluğuna heç bir şübhə yoxdur. Mikro dünyanın dərin və rasional nizamı var və biz bütün bu hissəciklərin mənasını anlamağa başlayırıq.

Mikrodünyanın dərk edilməsi istiqamətində ilk addım 18-ci əsrdə olduğu kimi bütün məlum hissəciklərin sistemləşdirilməsi nəticəsində atıldı. bioloqlar bitki və heyvan növlərinin ətraflı kataloqlarını tərtib etdilər. Atomaltı hissəciklərin ən mühüm xüsusiyyətlərinə kütlə, elektrik yükü və spin daxildir.

Kütlə və çəki bir-birinə bağlı olduğundan, yüksək kütləli hissəciklər çox vaxt "ağır" adlanır. Eynşteyn münasibəti E =mc^ 2 göstərir ki, hissəciyin kütləsi onun enerjisindən və deməli, sürətindən asılıdır. Hərəkət edən hissəcik sabitdən daha ağırdır. Onlar zərrəciklərin kütləsi haqqında danışanda onu nəzərdə tuturlar istirahət kütləsi,çünki bu kütlə hərəkət vəziyyətindən asılı deyildir. Sükunət kütləsi sıfır olan hissəcik işıq sürəti ilə hərəkət edir. Sükunət kütləsi sıfır olan zərrəciyin ən bariz nümunəsi fotondur. Hesab edilir ki, elektron sıfırdan fərqli istirahət kütləsi olan ən yüngül hissəcikdir. Proton və neytron təxminən 2000 dəfə ağırdır, laboratoriyada yaradılmış ən ağır hissəcik (Z hissəciyi) isə elektronun kütləsindən təxminən 200.000 dəfə ağırdır.

Hissəciklərin elektrik yükü kifayət qədər dar diapazonda dəyişir, lakin qeyd etdiyimiz kimi, həmişə əsas yük vahidinin qatıdır. Fotonlar və neytrinolar kimi bəzi hissəciklərin elektrik yükü yoxdur. Müsbət yüklü protonun yükü +1 qəbul edilərsə, elektronun yükü -1 olar.

ch. 2 hissəciklərin başqa bir xüsusiyyətini - spini təqdim etdik. Həmişə tarixi səbəblərə görə 1 olaraq seçilən bəzi fundamental vahidlərin qatları olan dəyərləri də götürür. /2. Beləliklə, bir proton, neytron və elektron bir spinə malikdir 1/2, və fotonun spini 1-dir. Spinliyi 0, 3/2 və 2 olan hissəciklər də məlumdur. Əsas hissəciklər spini 2-dən çox olan tapılmadı və nəzəriyyəçilər belə spinləri olan hissəciklərin mövcud olmadığına inanırlar.

hissəcik spin - mühüm xüsusiyyət, və ölçüsündən asılı olaraq bütün hissəciklər iki sinfə bölünür. Spinləri 0, 1 və 2 olan hissəciklər "bozonlar" adlanır - hind fiziki Chatyendranath Bose-nin adı ilə və yarım tam spin olan hissəciklər (yəni spin 1/2 və ya 3/2 olan) - Enriko Ferminin şərəfinə "fermionlar". Bu iki sinifdən birinə aid olmaq zərrəciyin xüsusiyyətləri siyahısında yəqin ki, ən mühümdür.

Zərrəciyin digər mühüm xüsusiyyəti onun ömrüdür. Son vaxtlara qədər elektronların, protonların, fotonların və neytrinoların tamamilə sabit olduğuna inanılırdı, yəni. sonsuz uzun ömür var. Neytron nüvədə "bağlı" olduğu müddətdə sabit qalır, lakin sərbəst neytron təxminən 15 dəqiqə ərzində parçalanır. Bütün digər məlum hissəciklər olduqca qeyri-sabitdir, onların ömürləri bir neçə mikrosaniyədən 10-23 saniyəyə qədərdir. Belə vaxt intervalları anlaşılmaz dərəcədə kiçik görünür, lakin unutmaq lazım deyil ki, işıq sürətinə yaxın sürətlə uçan zərrəcik (və sürətləndiricilərdə doğulan hissəciklərin əksəriyyəti məhz belə sürətlə hərəkət edir) mikrosaniyədə 300 m məsafəni uçmağı bacarır.

Qeyri-sabit hissəciklər kvant prosesi olan çürüməyə məruz qalır və buna görə də parçalanmada həmişə gözlənilməzlik elementi mövcuddur. Müəyyən bir hissəciyin ömrünü əvvəlcədən proqnozlaşdırmaq mümkün deyil. Statistik mülahizələrə əsasən, yalnız orta ömür müddətini proqnozlaşdırmaq olar. Adətən onlar hissəciklərin yarı ömrü haqqında danışırlar - eyni hissəciklərin populyasiyasının yarıya qədər azaldığı vaxt. Təcrübə göstərir ki, populyasiyanın ölçüsündə azalma eksponensial şəkildə baş verir (bax. Şəkil 6) və yarımxaricolma dövrü orta həyat müddətinin 0,693-ə bərabərdir.

Fiziklər üçün bu və ya digər hissəciklərin mövcud olduğunu bilmək kifayət deyil - onlar onun rolunun nə olduğunu anlamağa çalışırlar. Bu sualın cavabı yuxarıda sadalanan hissəciklərin xassələrindən, həmçinin zərrəyə xaricdən və onun daxilindən təsir edən qüvvələrin təbiətindən asılıdır. Hər şeydən əvvəl, hissəciyin xassələri onun güclü qarşılıqlı təsirlərdə iştirak etmək qabiliyyəti (və ya qabiliyyəti) ilə müəyyən edilir. Güclü qarşılıqlı təsirlərdə iştirak edən hissəciklər xüsusi bir sinif təşkil edir və adlanır andronlar. Zəif qarşılıqlı təsirlərdə iştirak edən və güclü qarşılıqlı təsirlərdə iştirak etməyən hissəciklər deyilir leptonlar,"ağciyərlər" deməkdir. Gəlin bu ailələrin hər birinə qısaca nəzər salaq.

Leptonlar

Leptonlardan ən yaxşısı elektrondur. Bütün leptonlar kimi, o, elementar, nöqtəyə bənzər bir cisim kimi görünür. Məlum olduğu kimi, elektronun daxili quruluşu yoxdur, yəni. başqa hissəciklərdən ibarət deyil. Leptonların elektrik yükü ola bilsə də, olmaya da, hamısının fırlanması eynidir 1/2, buna görə də fermionlar kimi təsnif edilirlər.

Digər tanınmış, lakin yükü olmayan lepton neytrinodur. Artıq Fəsildə qeyd edildiyi kimi. 2, neytrinolar xəyallar qədər əlçatmazdır. Neytrinolar nə güclü, nə də elektromaqnit qarşılıqlı təsirlərdə iştirak etmədikləri üçün maddəni demək olar ki, tamamilə görməzlikdən gəlir, sanki heç orada deyilmiş kimi içindən keçirlər. Neytrinoların yüksək nüfuzetmə qabiliyyəti uzun müddət onların mövcudluğunu eksperimental olaraq təsdiqləməyi çox çətinləşdirdi. Neytrinoların nəhayət laboratoriyada kəşf edildiyi proqnozlaşdırıldıqdan cəmi üç onillik keçdi. Fiziklər çoxlu sayda neytrinoların buraxıldığı nüvə reaktorlarının yaradılmasını gözləməli oldular və yalnız bundan sonra bir hissəciyin nüvə ilə baş-başa toqquşmasını qeyd edə bildilər və bununla da onun həqiqətən mövcud olduğunu sübut etdilər. Bu gün sürətləndiricidə hissəciklərin parçalanmasından yaranan və lazımi xüsusiyyətlərə malik olan neytrino şüaları ilə daha çox təcrübə aparmaq mümkündür. Neytrinoların böyük əksəriyyəti hədəfi “iqnor edir”, lakin zaman-zaman neytrinolar hələ də hədəflə qarşılıqlı əlaqədə olurlar ki, bu da onu əldə etməyə imkan verir. faydalı məlumat digər hissəciklərin quruluşu və zəif qarşılıqlı təsirin xarakteri haqqında. Təbii ki, neytrinolarla eksperimentlərin aparılması, digər atomaltı hissəciklərlə aparılan təcrübələrdən fərqli olaraq, xüsusi mühafizənin istifadəsini tələb etmir. Neytrinoların nüfuzetmə gücü o qədər böyükdür ki, onlar tamamilə zərərsizdirlər və insan bədəninə zərrə qədər zərər vermədən keçirlər.

Qeyri-maddi olmasına baxmayaraq, neytrinolar digər məlum hissəciklər arasında xüsusi yer tuturlar, çünki onlar bütün Kainatda ən bol hissəciklərdir, elektronları və protonları milyarda bir üstələyirlər. Kainat mahiyyət etibarı ilə neytrinolar dənizidir və atomlar şəklində ara-sıra daxil olur. Hətta ola bilər ki, neytrinoların ümumi kütləsi ulduzların ümumi kütləsini üstələyir və buna görə də kosmik cazibəyə əsas töhfə verən neytrinolardır. Bir qrup sovet tədqiqatçısının fikrincə, neytrinoların kiçik, lakin sıfır olmayan bir sükunət kütləsi var (elektronun kütləsinin on mində birindən az); Əgər bu doğrudursa, onda qravitasiya neytrinoları Kainatda hökmranlıq edir ki, bu da gələcəkdə onun dağılmasına səbəb ola bilər. Beləliklə, ilk baxışda ən “zərərsiz” və cisimsiz hissəciklər olan neytrinolar bütün Kainatın dağılmasına səbəb ola bilirlər.

Digər leptonlar arasında 1936-cı ildə kosmik şüaların qarşılıqlı təsiri məhsullarında aşkar edilmiş muonu qeyd etmək lazımdır; ilk məlum qeyri-sabit subatom hissəciklərindən biri olduğu ortaya çıxdı. Sabitlik istisna olmaqla, bütün parametrlərdə muon elektrona bənzəyir: eyni yük və spinə malikdir, eyni qarşılıqlı təsirlərdə iştirak edir, lakin daha böyük kütləyə malikdir. Saniyənin təxminən iki milyonda birində muon bir elektron və iki neytrinoya parçalanır. Müonlar təbiətdə geniş yayılmışdır və Geiger sayğacı tərəfindən Yer səthində aşkar edilən fon kosmik radiasiyasının əhəmiyyətli bir hissəsini təşkil edir.

Uzun illər ərzində elektron və müon yeganə məlum yüklü leptonlar olaraq qaldı. Sonra, 1970-ci illərin sonlarında tau lepton adlanan üçüncü yüklü lepton kəşf edildi. Təxminən 3500 elektron kütləsi olan tau lepton, açıq-aydın yüklü leptonlar üçlüyünün “ağır çəkisi” dir, lakin bütün digər cəhətlərdən özünü elektron və müon kimi aparır.

Məlum leptonların bu siyahısı heç də tükənmir. 60-cı illərdə bir neçə növ neytrino olduğu aşkar edilmişdir. Bir növ neytrinolar neytronun parçalanması zamanı elektronla birlikdə, digər növ neytrinolar isə muonun doğulması zamanı doğulur. Hər bir neytrino növü öz yüklü leptonu ilə cütlər halında mövcuddur; buna görə də bir "elektron neytrino" və bir "muon neytrino" var. Çox güman ki, tau leptonun doğulmasını müşayiət edən üçüncü növ neytrino da olmalıdır. Bu halda ümumi sayıÜç növ neytrino var və leptonun ümumi sayı altıdır (Cədvəl 1). Təbii ki, hər leptonun öz antihissəcikləri var; beləliklə, müxtəlif leptonun ümumi sayı on ikidir.

Cədvəl 1

Altı lepton yüklü və neytral modifikasiyalara uyğun gəlir (antihissəciklər cədvələ daxil edilmir). Kütlə və yük müvafiq olaraq elektron kütləsi və yük vahidləri ilə ifadə edilir. Neytrinoların aşağı kütləyə malik ola biləcəyinə dair sübutlar var

Adronlar

Bir neçə məlum leptondan fərqli olaraq, yüzlərlə adron var. Təkcə bu, hadronların elementar hissəciklər olmadığını, daha kiçik komponentlərdən qurulduğunu göstərir. Bütün hadronlar güclü, zəif və qravitasiya qarşılıqlı təsirlərində iştirak edirlər, lakin iki növdə olurlar - elektrik yüklü və neytral. Adronlar arasında ən məşhur və geniş yayılmış neytron və protondur. Qalan adronlar qısa ömürlüdür və ya zəif qarşılıqlı təsirə görə saniyənin milyonda birindən az müddətdə, ya da daha sürətli (10-23 saniyədə) güclü qarşılıqlı təsir nəticəsində çürüyür.

1950-ci illərdə fizikləri hadronların sayı və müxtəlifliyi son dərəcə çaşdırırdı. Lakin yavaş-yavaş hissəciklər üç mühüm xüsusiyyətə görə təsnif edildi: kütlə, yük və spin. Tədricən nizamın əlamətləri görünməyə başladı və aydın mənzərə yaranmağa başladı. Məlumatların görünən xaosunun arxasında simmetriyaların gizləndiyinə dair göstərişlər var. Adronların sirrinin açılmasında həlledici addım 1963-cü ildə Kaliforniya Texnologiya İnstitutundan Murray Gell-Mann və George Zweig kvarklar nəzəriyyəsini irəli sürdükdə atıldı.

Şəkil 10 Adronlar kvarklardan qurulur. Proton (yuxarı) iki yuxarı kvark və bir d kvarkdan ibarətdir. Daha yüngül pion (alt) bir u-kvark və bir d-antikvarkdan ibarət mezondur. Digər hadronlar hər cür kvark birləşmələridir.

Bu nəzəriyyənin əsas ideyası çox sadədir. Bütün hadronlar daha çoxdan qurulur incə hissəciklər, kvarklar adlanır. Kvarklar bir-birinə iki mümkün yoldan biri ilə bağlana bilər: ya üçlü, ya da kvark-antikvark cütləri. Nisbətən ağır hissəciklər üç kvarkdan ibarətdir - baryonlar,"ağır hissəciklər" deməkdir. Ən məşhur barionlar neytron və protondur. Daha yüngül kvark-antikvark cütləri adlı hissəciklər əmələ gətirir mezonlar -"ara hissəciklər". Bu adın seçilməsi onunla izah olunur ki, ilk kəşf edilən mezonlar kütlədə elektronlar və protonlar arasında aralıq mövqe tuturdular. Bütün o vaxt məlum olan hadronları nəzərə almaq üçün Gell-Mann və Zweig üç fərqli kvark növünü ("tadları") təqdim etdilər və onlar olduqca gözəl adlar aldılar: Və(dan yuxarı- yuxarı), d(dan aşağı - aşağı) və s (dan qəribə- qəribə). Dadların müxtəlif birləşmələrinin mümkünlüyünə imkan verməklə, çoxlu sayda hadronların mövcudluğu izah edilə bilər. Məsələn, bir proton ikidən ibarətdir Və- və bir d-kvark (şək. 10), neytron isə iki d-kvark və bir u-kvarkdan ibarətdir.

Gell-Mann və Zweig tərəfindən irəli sürülən nəzəriyyənin təsirli olması üçün kvarkların fraksiya elektrik yükü daşıdığını fərz etmək lazımdır. Başqa sözlə, onların dəyəri əsas vahidin - elektronun yükünün 1/3 və ya 2/3 hissəsi olan bir yükə malikdirlər. İki və üç kvarkın birləşməsinin ümumi yükü sıfır və ya bir ola bilər. Bütün kvarkların 1/2 spini var. buna görə də onlar fermionlar kimi təsnif edilirlər. Kvarkların kütlələri digər hissəciklərin kütlələri qədər dəqiq müəyyən edilmir, çünki onların adrondakı bağlanma enerjisi kvarkların öz kütlələri ilə müqayisə edilə bilər. Lakin məlumdur ki, s-kvark daha ağırdır Və- və d-kvarklar.

Hadronların içərisində kvarklar, atomun həyəcanlı vəziyyətləri kimi həyəcanlı vəziyyətdə ola bilər, lakin daha yüksək enerjilərlə. Həyəcanlanmış adronun tərkibində olan artıq enerji onun kütləsini o qədər artırır ki, kvark nəzəriyyəsi yaranmazdan əvvəl fiziklər səhvən həyəcanlanmış adronları tamamilə fərqli hissəciklər üçün götürürdülər. İndi müəyyən edilmişdir ki, bir-birindən fərqli görünən adronların çoxu əslində eyni əsas kvark dəstinin həyəcanlı vəziyyətləridir.

Artıq Fəsildə qeyd edildiyi kimi. 5, kvarklar güclü qarşılıqlı təsirlə bir yerdə tutulur. Ancaq zəif qarşılıqlı əlaqədə də iştirak edirlər. Zəif qarşılıqlı əlaqə kvarkın dadını dəyişə bilər. Neytronların parçalanması belə baş verir. Neytrondakı d-kvarklardan biri u-kvarka çevrilir və artıq yük eyni vaxtda yaranan elektronu aparır. Eynilə, ləzzəti dəyişdirərək, zəif qarşılıqlı əlaqə digər hadronların çürüməsinə səbəb olur.

S-kvarkların mövcudluğu 50-ci illərin əvvəllərində kəşf edilmiş "qəribə" hissəciklərin - ağır adronların qurulması üçün lazımdır. Adlarını düşündürən bu zərrəciklərin qeyri-adi davranışı həm özləri, həm də çürümə məhsulları hadron olsalar da, güclü qarşılıqlı təsir nəticəsində çürüyə bilməmələri idi. Fiziklər, əgər həm ana, həm də qız hissəcikləri hadron ailəsinə aiddirsə, güclü qüvvənin nə üçün onların çürüməsinə səbəb olmadığı üzərində baş sındırdılar. Nədənsə bu hadronlar daha az intensiv zəif qarşılıqlı əlaqəyə “üstünlük verirdilər”. Niyə? Kvark nəzəriyyəsi təbii olaraq bu sirri həll etdi. Güclü qarşılıqlı təsir kvarkların dadını dəyişə bilməz - yalnız zəif qarşılıqlı əlaqə bunu edə bilər. Və s-kvarkın çevrilməsi ilə müşayiət olunan ləzzətdə dəyişiklik olmadan Və- və ya d-kvark, çürümə mümkün deyil.

Cədvəldə Şəkil 2 üç ləzzətli kvarkların müxtəlif mümkün birləşmələrini və onların adlarını təqdim edir (adətən yalnız yunan hərfi). Çoxsaylı həyəcanlı vəziyyətlər göstərilmir. Bütün məlum hadronların üç əsas hissəciyin müxtəlif birləşmələrindən əldə oluna bilməsi kvark nəzəriyyəsinin əsas qələbəsini simvolizə edirdi. Lakin bu uğura baxmayaraq, yalnız bir neçə ildən sonra kvarkların mövcudluğuna dair birbaşa fiziki sübut əldə etmək mümkün oldu.

Bu sübut 1969-cu ildə Stenfordda (Kaliforniya, ABŞ) - SLAC-da böyük xətti sürətləndiricidə aparılan bir sıra tarixi təcrübələrdə əldə edilmişdir. Stenford eksperimentçiləri sadəcə əsaslandırdılar. Əgər protonda həqiqətən də kvarklar varsa, o zaman protonun daxilində bu hissəciklərlə toqquşmalar müşahidə oluna bilər. Lazım olan tək şey birbaşa protonun dərinliklərinə yönələ bilən subnüvə “mərmi”dir. Bu məqsədlə başqa bir adrondan istifadə etmək faydasızdır, çünki o, protonla eyni ölçülərə malikdir. İdeal bir mərmi elektron kimi lepton olardı. Elektron güclü qarşılıqlı təsirdə iştirak etmədiyi üçün kvarkların yaratdığı mühitdə “ilişməyəcək”. Eyni zamanda, bir elektron, mövcudluğuna görə kvarkların varlığını hiss edə bilər elektrik yükü.

cədvəl 2

Kvarkların üç ləzzəti, u, d və s, yüklərə +2/3, -1/3 və -1/3 uyğun gəlir; onlar üçlükdə birləşərək cədvəldə göstərilən səkkiz baryonu əmələ gətirirlər. Kvark-antikvark cütləri mezonlar əmələ gətirir. (Sss kimi bəzi birləşmələr buraxılıb.)

Stenford təcrübəsində üç kilometrlik sürətləndirici mahiyyətcə protonun daxili görünüşlərini yaradan nəhəng elektron "mikroskop" rolunu oynadı. Adi elektron mikroskop santimetrin milyonda birindən kiçik detalları ayırd edə bilir. Digər tərəfdən, proton bir neçə on milyon dəfə kiçikdir və yalnız 2,1010 eV enerjiyə qədər sürətlənmiş elektronlar tərəfindən "tədqiq edilə" bilər. Stenford təcrübələri zamanı bir neçə fizik kvarkların sadələşdirilmiş nəzəriyyəsinə əməl edirdi. Əksər elm adamları elektronların protonların elektrik yükləri ilə əyilməsini gözləyirdilər, lakin yükün proton daxilində bərabər paylandığı güman edilirdi. Əgər bu, həqiqətən də belə olsaydı, o zaman əsasən zəif elektron səpilmə baş verərdi, yəni. Protonlardan keçərkən elektronlar güclü əyilmələrə məruz qalmazdı. Təcrübə göstərdi ki, səpilmə modeli gözləniləndən kəskin şəkildə fərqlənir. Hər şey elə baş verdi ki, bəzi elektronlar kiçik bərk daxilolmalara uçdu və onları ən inanılmaz bucaqlarla sıçradı. İndi bilirik ki, protonların içindəki bu cür bərk birləşmələr kvarklardır.

1974-cü ildə o vaxta qədər nəzəriyyəçilər arasında tanınan kvarklar nəzəriyyəsinin sadələşdirilmiş versiyasına həssas zərbə vuruldu. Bir-birindən bir neçə gün sonra iki qrup Amerika fizikləri - biri Barton Rixterin rəhbərlik etdiyi Stenfordda, digəri Samuel Tinqin rəhbərlik etdiyi Brookhaven Milli Laboratoriyasında - müstəqil olaraq psi hissəciyi adlanan yeni hadronun kəşfini elan etdilər. Özlüyündə yeni hadronun kəşfi bir hal olmasaydı, çətin ki, xüsusilə diqqətəlayiq olardı: fakt budur ki, kvarklar nəzəriyyəsinin təklif etdiyi sxemdə bircə yeni hissəcik üçün yer yox idi. up, d və s kvarklarının və onların antikvarklarının bütün mümkün birləşmələri artıq “istifadə olunub”. Psi hissəcik nədən ibarətdir?

Bir müddət havada olan bir fikrə müraciət etməklə problem həll edildi: daha əvvəl heç kimin müşahidə etmədiyi dördüncü bir qoxu olmalıdır. Yeni ətrin artıq öz adı var idi - cazibə (cazibə) və ya s. Təklif edilmişdir ki, psi hissəciyi c-kvark və c-antikvarkdan (c) ibarət mezondur, yəni. cc. Antikvarklar ləzzət əleyhinə daşıyıcı olduğundan, psi hissəciyinin cazibəsi zərərsizləşdirilir və buna görə də yeni bir ləzzətin (cazibədarlığın) mövcudluğunun eksperimental təsdiqi cazibə kvarklarının antikvarkamplarla qoşalaşdığı mezonlar aşkarlanana qədər gözləməli oldu. digər ləzzətlərdən. İndi sehrli hissəciklərin bütün silsiləsi məlumdur. Onların hamısı çox ağırdır, ona görə də cazibə kvarkının qəribə kvarkdan daha ağır olduğu ortaya çıxır.

Yuxarıda təsvir edilən vəziyyət 1977-ci ildə, upsilon mezon (UPSILON) adlanan maddənin səhnəyə çıxması ilə təkrarlandı. Bu dəfə, çox tərəddüd etmədən, b-kvark (aşağıdan - aşağıdan və daha çox gözəllik - gözəllik və ya cazibə) adlanan beşinci ləzzət təqdim edildi. Upsilon mezonu b kvarklardan ibarət kvark-antikvark cütüdür və buna görə də gizli gözəlliyə malikdir; lakin əvvəlki vəziyyətdə olduğu kimi, kvarkların fərqli birləşməsi son nəticədə “gözəlliyi” kəşf etməyə imkan verdi.

Kvarkların nisbi kütlələrini ən azı mezonların ən yüngülünün, pionun cütlərdən ibarət olması faktı ilə qiymətləndirmək olar. Və- və antikvarklarla d-kvarklar. Psi mezonu təxminən 27 dəfə, upsilon mezonu isə piondan ən azı 75 dəfə ağırdır.

Məlum ləzzətlərin siyahısının tədricən genişlənməsi leptonların sayının artması ilə paralel olaraq baş verdi; ona görə də aydın sual, nə vaxtsa sonun olub-olmayacağı idi. Kvarklar adronların bütün müxtəlifliyinin təsvirini sadələşdirmək üçün təqdim edildi, lakin indi də hiss olunur ki, hissəciklərin siyahısı yenidən çox sürətlə böyüyür.

Demokritin dövründən bəri atomizmin əsas ideyası, kifayət qədər kiçik miqyasda, birləşmələri ətrafımızdakı maddəni təşkil edən həqiqətən elementar hissəciklərin mövcud olmasının qəbul edilməsidir. Atomizm cəlbedicidir, çünki bölünməz (tərifinə görə) əsas hissəciklər çox məhdud sayda mövcud olmalıdır. Təbiətin müxtəlifliyi onun tərkib hissələrinin deyil, onların birləşmələrinin çoxluğu ilə bağlıdır. Çox sayda müxtəlif atom nüvələrinin olduğu aşkar edildikdə, bu gün atom dediyimiz şeyin qədim yunanların maddənin elementar hissəcikləri haqqında təsəvvürlərinə uyğun olduğuna dair ümid itdi. Ənənəyə görə, müxtəlif kimyəvi "elementlər" haqqında danışmağa davam etsək də, məlumdur ki, atomlar ümumiyyətlə elementar deyil, protonlardan, neytronlardan və elektronlardan ibarətdir. Və kvarkların sayı çox böyük olduğu üçün onların da kiçik hissəciklərdən ibarət kompleks sistemlər olduğunu düşünmək cazibədardır.

Bu səbəbdən kvark sxemindən bəzi narazılıqlar olsa da, fiziklərin əksəriyyəti kvarkları həqiqətən elementar hissəciklər hesab edirlər - nöqtəyə bənzər, bölünməz və daxili quruluşu olmayan. Bu baxımdan onlar peptona bənzəyirlər və çoxdan güman edilirdi ki, bu iki fərqli, lakin strukturca oxşar ailələr arasında dərin əlaqə olmalıdır. Bu nöqteyi-nəzərin əsası leptonların və kvarkların xassələrinin müqayisəsindən yaranır (Cədvəl 3). Hər bir yüklü leptonu müvafiq neytrino ilə əlaqələndirərək leptonlar cüt-cüt qruplaşdırıla bilər. Kvarkları da cüt-cüt qruplaşdırmaq olar. Cədvəl 3 hər bir hüceyrənin quruluşu birbaşa qarşısında yerləşən hüceyrəni təkrarlayacaq şəkildə tərtib edilmişdir. Məsələn, ikinci hüceyrədə muon "ağır elektron" kimi, cazibədarlıq və qəribə kvarklar isə ağır variantlar kimi təmsil olunur. Və- və d-kvarklar. Növbəti qutudan görə bilərsiniz ki, tau leptonu daha da ağır “elektron”, b kvark isə d kvarkın daha ağır versiyasıdır. Tam bir bənzətmə üçün bizə daha bir (tau-leptonium) neytrino və kvarkların altıncı ləzzəti lazımdır ki, bu da artıq doğru adını almışdır. (həqiqət, t). Bu kitab yazılarkən üst kvarkların varlığına dair eksperimental sübutlar hələ kifayət qədər inandırıcı deyildi və bəzi fiziklər üst kvarkların ümumiyyətlə mövcud olduğuna şübhə edirdilər.

Cədvəl 3

Leptonlar və kvarklar təbii olaraq cütləşirlər. cədvəldə göstərildiyi kimi. Ətrafımızdakı dünya ilk dörd hissəcikdən ibarətdir. Ancaq aşağıdakı qruplar, görünür, yuxarı olanı təkrarlayır və neytrinoların tacında son dərəcə qeyri-sabit hissəciklərdən ibarətdir.

Dördüncü, beşinci və s. ola bilərmi? daha ağır hissəcikləri ehtiva edən buxarlar? Əgər belədirsə, gələcək nəsil sürətləndiricilər çox güman ki, fiziklərə belə hissəcikləri aşkar etmək imkanı verəcək. Bununla belə, maraqlı bir mülahizə ifadə edilir, buradan belə çıxır ki, adları çəkilən üç cütdən başqa heç bir cüt yoxdur. Bu mülahizə neytrino növlərinin sayına əsaslanır. Tezliklə öyrənəcəyik ki, Kainatın yaranmasına işarə edən Böyük Partlayış anında neytrinoların intensiv bir şəkildə yaradılması olmuşdur. Bir növ demokratiya hər bir hissəcik növünə digərləri ilə eyni enerji payına zəmanət verir; buna görə də neytrinoların növləri nə qədər çox olsa, kosmosu dolduran neytrino dənizində bir o qədər çox enerji var. Hesablamalar göstərir ki, əgər neytrinoların üçdən çox növü olsaydı, onların hamısının yaratdığı cazibə qüvvəsi neytrinolara güclü narahatedici təsir göstərərdi. nüvə prosesləri, Kainatın həyatının ilk dəqiqələrində baş verir. Nəticə etibarilə, bu dolayı mülahizələrdən çox inandırıcı bir nəticə çıxır ki, cədvəldə göstərilən üç cüt. 3, təbiətdə mövcud olan bütün kvarklar və leptonlar tükənmişdir.

Maraqlıdır ki, Kainatdakı bütün adi maddələr yalnız iki ən yüngül leptondan (elektron və elektron neytrino) və iki ən yüngül kvarkdan (elektron və elektron neytrino) ibarətdir. Və Və d).Əgər bütün digər leptonlar və kvarklar birdən-birə mövcud olmağı dayandırsalar, o zaman ətrafımızdakı dünyada çox az şey dəyişəcəkdi.

Ola bilsin ki, daha ağır kvarklar və leptonlar ən yüngül kvarklar və leptonlar üçün bir növ ehtiyat rolunu oynayır. Onların hamısı qeyri-sabitdir və tez bir zamanda yuxarı hüceyrədə yerləşən hissəciklərə parçalanır. Məsələn, tau lepton və muon elektronlara parçalanır, qəribə, cazibədar və gözəl hissəciklər isə kifayət qədər sürətlə ya neytronlara və ya protonlara (baryonlar vəziyyətində) və ya leptonlara (mezonlar vəziyyətində) çevrilir. Sual yaranır: Nə üçün Bütün bu ikinci və üçüncü nəsil hissəciklər varmı? Təbiət onlara niyə ehtiyac duydu?

Hissəciklər qarşılıqlı təsirlərin daşıyıcısıdır

Məlum hissəciklərin siyahısı maddənin tikinti materialını təşkil edən altı cüt lepton və kvark tərəfindən heç bir şəkildə tükənmir. Onların bəziləri, məsələn, foton, kvark dövrəsinə daxil deyil. “Gəmidə qalan” hissəciklər “kainatın tikinti blokları” deyil, dünyanın dağılmasına imkan verməyən bir növ “yapışqan” əmələ gətirir, yəni. onlar dörd əsas qarşılıqlı əlaqə ilə əlaqələndirilir.

Yadımdadır, uşaq vaxtı ayın okeanların gündəlik su axını zamanı qalxıb enməsinə səbəb olduğunu deyirdilər. Okeanın Ayın harada olduğunu necə bildiyi və onun səmada hərəkətini necə izlədiyi mənim üçün həmişə sirr olub. Məktəbdə cazibə qüvvəsini öyrənəndə çaşqınlığım daha da gücləndi. Dörddə bir milyon kilometrlik boşluğu qət edən Ay okeana necə "çatmağı" bacarır? Standart cavab - Ay bu boş məkanda qravitasiya sahəsi yaradır, onun hərəkəti okeana çatır, onu hərəkətə gətirir - təbii ki, müəyyən məna kəsb edirdi, amma yenə də məni tam qane etmirdi. Axı biz Ayın cazibə sahəsini görə bilmirik. Bəlkə elə belə deyirlər? Bu həqiqətən nəyisə izah edirmi? Mənə həmişə elə gəlirdi ki, ay birtəhər okeana harada olduğunu söyləməlidir. Ay və okean arasında bir növ siqnal mübadiləsi olmalıdır ki, su hara hərəkət edəcəyini bilsin.

Zamanla məlum oldu ki, kosmosdan siqnal şəklində ötürülən qüvvə ideyası bu problemə müasir yanaşmadan o qədər də uzaq deyil. Bu fikrin necə yarandığını başa düşmək üçün güc sahəsinin təbiətini daha ətraflı nəzərdən keçirməliyik. Nümunə olaraq, okean gelgitlərini deyil, daha sadə bir fenomeni seçək: iki elektron bir-birinə yaxınlaşır və sonra elektrostatik itmənin təsiri altında müxtəlif istiqamətlərdə uçur. Fiziklər bu prosesi səpilmə problemi adlandırırlar. Əlbəttə ki, elektronlar bir-birini itələmir. Onlar hər bir elektron tərəfindən yaradılan elektromaqnit sahəsi vasitəsilə məsafədə qarşılıqlı əlaqədə olurlar.

Şəkil 11. İki yüklü hissəciklərin səpilməsi. Zərrəciklərin trayektoriyaları elektrik itələməsinin təsiri ilə bir-birinə yaxınlaşdıqca əyilir.

Elektron-elektron səpələnməsinin mənzərəsini təsəvvür etmək çətin deyil. Əvvəlcə elektronlar böyük məsafə ilə ayrılır və bir-birinə az təsir göstərir. Hər bir elektron demək olar ki, düzxətli hərəkət edir (şək. 11). Sonra itələyici qüvvələr işə düşdükcə elektron traektoriyaları hissəciklər mümkün qədər yaxın olana qədər əyilməyə başlayır; bundan sonra traektoriyalar ayrılır və elektronlar bir-birindən ayrılır, yenidən düzxətli, lakin artıq ayrılan trayektoriyalarla hərəkət etməyə başlayır. Bu cür model laboratoriyada elektronların yerinə elektrik yüklü toplardan istifadə etməklə asanlıqla nümayiş etdirilə bilər. Və yenə sual yaranır: bir hissəcik başqa bir hissəciyin harada olduğunu necə “bilir” və buna uyğun olaraq hərəkətini dəyişir.

Əyri elektron trayektoriyalarının təsviri kifayət qədər vizual olsa da, bir sıra cəhətlərdən tamamilə yararsızdır. Fakt budur ki, elektronlar kvant hissəcikləridir və onların davranışı kvant fizikasının xüsusi qanunlarına tabedir. Əvvəla, elektronlar kosmosda dəqiq müəyyən edilmiş traektoriyalar üzrə hərəkət etmirlər. Biz hələ də bu və ya digər şəkildə yolun başlanğıc və son nöqtələrini - səpələnmədən əvvəl və sonra müəyyən edə bilərik, lakin hərəkətin başlanğıcı və sonu arasındakı intervalda yolun özü naməlum və qeyri-müəyyən olaraq qalır. Bundan əlavə, elektron və sahə arasında enerji və impulsun davamlı mübadiləsi haqqında intuitiv fikir, sanki elektronu sürətləndirir, fotonların mövcudluğu ilə ziddiyyət təşkil edir. Enerji və impuls ötürülə bilər sahə yalnız hissələrdə və ya kvantlarda. Sahədən bir fotonu udan elektronun qəfil itələmə hiss etdiyini fərz etməklə, sahənin elektronun hərəkətinə verdiyi pozğunluğun daha dəqiq təsvirini əldə edəcəyik. Buna görə də kvant səviyyəsi Elektron-elektron səpilmə aktı şəkildə göstərildiyi kimi təsvir edilə bilər. 12. İki elektronun trayektoriyalarını birləşdirən dalğavari xətt bir elektronun buraxdığı və digəri tərəfindən udulmuş fotona uyğundur. İndi səpilmə aktı hər bir elektronun hərəkət istiqamətində qəfil dəyişiklik kimi görünür

Şəkil 12. Yüklü hissəciklərin səpilməsinin kvant təsviri. Hissəciklərin qarşılıqlı təsiri qarşılıqlı təsir daşıyıcısının və ya virtual fotonun (dalğalı xətt) mübadiləsi ilə bağlıdır.

Bu cür diaqramlar ilk dəfə Riçard Feynman tərəfindən tənliyin müxtəlif şərtlərini vizual şəkildə təmsil etmək üçün istifadə edilmişdir və əvvəlcə onlar sırf simvolik məna daşıyırdı. Lakin sonra hissəciklərin qarşılıqlı təsirlərini diaqrammatik şəkildə təsvir etmək üçün Feynman diaqramlarından istifadə olunmağa başladı. Bu cür şəkillər fizikin intuisiyasını tamamlayır, lakin onları müəyyən dərəcədə ehtiyatla şərh etmək lazımdır. Məsələn, elektron trayektoriyasında heç vaxt kəskin qırılma olmur. Biz yalnız elektronların ilkin və son mövqelərini bildiyimiz üçün fotonun nə vaxt mübadilə edildiyini və hansı hissəciyin şüaları buraxdığını və fotonu udduğunu dəqiq bilmirik. Bütün bu detallar kvant qeyri-müəyyənliyi pərdəsi ilə gizlənir.

Bu xəbərdarlığa baxmayaraq, Feynman diaqramları kvant qarşılıqlı təsirlərini təsvir etmək üçün təsirli bir vasitə olduğunu sübut etdi. Elektronlar arasında mübadilə edilən foton, elektronlardan birinin digərinə: “Mən buradayam, hərəkətə keç!” deyən bir növ xəbərçi kimi düşünülə bilər. Təbii ki, bütün kvant prosesləri ehtimal xarakterlidir, ona görə də belə mübadilə yalnız müəyyən ehtimalla baş verir. Elektronların iki və ya daha çox fotonu mübadilə etməsi baş verə bilər (Şəkil 13), baxmayaraq ki, bu, daha az ehtimaldır.

Anlamaq vacibdir ki, əslində biz bir elektrondan digərinə fırlanan fotonları görmürük. Qarşılıqlı təsir daşıyıcıları iki elektronun “daxili maddəsidir”. Onlar yalnız elektronlara necə hərəkət edəcəklərini söyləmək üçün mövcuddurlar və enerji və impuls daşısalar da, klassik fizikanın müvafiq qorunma qanunları onlara şamil edilmir. Bu vəziyyətdə fotonları tennisçilərin meydançada dəyişdirdikləri topa bənzətmək olar. Tennis topu tennisçilərin oyun meydançasında davranışını təyin etdiyi kimi, foton da elektronların davranışına təsir göstərir.

Bir daşıyıcı hissəcikdən istifadə edərək qarşılıqlı təsirin uğurlu təsviri foton anlayışının genişlənməsi ilə müşayiət olundu: bir foton təkcə bizə görünən işığın bir hissəciyi deyil, həm də yalnız yüklə "görünən" xəyali hissəcikdir. səpilməyə məruz qalan hissəciklər. Bəzən müşahidə etdiyimiz fotonlara da deyilir real, və qarşılıqlı təsir daşıyan fotonlardır virtual, bu bizə onların keçici, az qala kabus kimi varlığını xatırladır. Real və virtual fotonlar arasındakı fərq bir qədər ixtiyaridir, lakin buna baxmayaraq bu anlayışlar geniş yayılmışdır.

Virtual fotonlar - onun daşıyıcıları - konsepsiyasından istifadə edərək elektromaqnit qarşılıqlı təsirinin təsviri öz əhəmiyyətinə görə kvant təbiətinin illüstrasiyalarından kənara çıxır. Əslində, söhbət ən xırda təfərrüatına qədər düşünülmüş və mükəmməl bir riyazi aparatla təchiz edilmiş bir nəzəriyyədən gedir. kvant elektrodinamika, QED kimi qısaldılmışdır. QED ilk dəfə tərtib edildikdə (bu, İkinci Dünya Müharibəsindən qısa müddət sonra baş verdi), fiziklərin ixtiyarında hər iki nəzəriyyənin əsas prinsiplərini təmin edən bir nəzəriyyə var idi. kvant nəzəriyyəsi, və nisbilik nəzəriyyəsi. Bu, yeni fizikanın iki mühüm aspektinin birləşmiş təzahürlərini görmək üçün gözəl fürsətdir və. onları eksperimental olaraq yoxlayın.

Nəzəri cəhətdən QED-nin yaradılması görkəmli nailiyyət idi. Fotonların və elektronların qarşılıqlı təsirinə dair əvvəlki tədqiqatlar riyazi çətinliklərə görə çox məhdud uğur qazanmışdı. Ancaq nəzəriyyəçilər hesablamaları düzgün aparmağı öyrənən kimi hər şey öz yerinə düşdü. QED, fotonların və elektronların iştirakı ilə nə qədər mürəkkəb proses olursa olsun, istənilən nəticənin əldə edilməsi prosedurunu təklif etdi.

Şəkil 13. Elektron səpilməsi iki virtual fotonun mübadiləsi nəticəsində yaranır. Bu cür proseslər Şəkildə göstərilən əsas prosesə kiçik bir düzəliş təşkil edir. on bir

Nəzəriyyənin reallıqla nə dərəcədə uyğunlaşdığını yoxlamaq üçün fiziklər xüsusi maraq doğuran iki təsirə diqqət yetirdilər. Birincisi, ən sadə atom olan hidrogen atomunun enerji səviyyələrinə aid idi. QED, virtual fotonlar olmasa, səviyyələrin tutacaqları mövqedən bir qədər dəyişdirilməli olduğunu proqnozlaşdırdı. Nəzəriyyə bu dəyişikliyin miqyasını çox dəqiq proqnozlaşdırmışdı. Həddindən artıq dəqiqliklə yerdəyişməni aşkar etmək və ölçmək üçün eksperiment Dövlət Universitetindən Willis Lamb tərəfindən aparılmışdır. Arizona. Hər kəsin zövqünə görə, hesablama nəticələri eksperimental məlumatlarla mükəmməl üst-üstə düşür.

QED-nin ikinci həlledici sınağı elektronun öz maqnit momentinə son dərəcə kiçik düzəlişlə bağlı idi. Və yenə nəzəri hesablamaların və eksperimentin nəticələri tamamilə üst-üstə düşdü. Nəzəriyyəçilər hesablamalarını təkmilləşdirməyə, təcrübəçilər isə alətlərini təkmilləşdirməyə başladılar. Lakin, həm nəzəri proqnozların, həm də eksperimental nəticələrin dəqiqliyi davamlı olaraq yaxşılaşsa da, QED və təcrübə arasında razılaşma qüsursuz olaraq qalır. İndiki vaxtda nəzəri və eksperimental nəticələr hələ də əldə edilən dəqiqlik hüdudlarında razılaşır, bu da doqquz onluqdan çox təsadüf deməkdir. Bu cür təəccüblü yazışma QED-i mövcud təbiətşünaslıq nəzəriyyələri arasında ən qabaqcıl hesab etmək hüququ verir.

Söz yox ki, belə bir zəfərdən sonra QED digər üç fundamental qarşılıqlı əlaqənin kvant təsviri üçün bir model kimi qəbul edildi. Əlbəttə ki, digər qarşılıqlı təsirlərlə əlaqəli sahələr digər daşıyıcı hissəciklərə uyğun olmalıdır. Cazibə qüvvəsini təsvir etmək üçün təqdim edilmişdir qraviton, fotonla eyni rolu oynayır. İki hissəciyin cazibə qüvvəsi ilə qarşılıqlı təsiri zamanı onlar arasında qravitonlar mübadiləsi baş verir. Bu qarşılıqlı əlaqə Şəkildə göstərilənlərə bənzər diaqramlardan istifadə etməklə görüntülənə bilər. 12 və 13. Aydan okeanlara siqnal daşıyan qravitonlardır, bunun ardınca yüksək gelgitlər zamanı yüksəlir və aşağı gelgitlər zamanı düşürlər. Yerlə Günəş arasında fırlanan qravitonlar planetimizi orbitdə saxlayır. Qravitonlar bizi Yerə möhkəm zəncirləyir.

Fotonlar kimi, qravitonlar da işıq sürəti ilə hərəkət edirlər, buna görə də qravitonlar “sıfır istirahət kütləsi” olan hissəciklərdir. Lakin qravitonlar və fotonlar arasındakı oxşarlıqlar burada sona çatır. Fotonun spini 1 olduğu halda, qravitonun spini 2-dir.

Cədvəl 4

Dörd əsas qarşılıqlı əlaqəni daşıyan hissəciklər. Kütlə proton kütlə vahidləri ilə ifadə edilir.

Bu, qüvvənin istiqamətini müəyyən etdiyi üçün mühüm fərqdir: elektromaqnit qarşılıqlı təsirdə eyni yüklü hissəciklər, məsələn, elektronlar itələyir, cazibə qüvvəsi ilə qarşılıqlı təsirdə isə bütün hissəciklər bir-birinə cəlb olunur.

Qravitonlar real və virtual ola bilər. Həqiqi qraviton kvantdan başqa bir şey deyil qravitasiya dalğası, necə ki, real foton elektromaqnit dalğasının kvantıdır. Prinsipcə, real qravitonları "müşahidə etmək" olar. Lakin cazibə qüvvəsinin qarşılıqlı təsiri inanılmaz dərəcədə zəif olduğu üçün qravitonları birbaşa aşkar etmək mümkün deyil. Qravitonun digər kvant hissəcikləri ilə qarşılıqlı təsiri o qədər zəifdir ki, məsələn, bir proton tərəfindən qravitonun səpilməsi və ya udulması ehtimalı sonsuz kiçikdir.

Daşıyıcı hissəciklərin mübadiləsinin əsas ideyası digər qarşılıqlı təsirlərə də aiddir (Cədvəl 4) - zəif və güclü. Bununla belə, detallarda əhəmiyyətli fərqlər var. Yada salaq ki, güclü qarşılıqlı təsir kvarklar arasında əlaqəni təmin edir. Belə bir əlaqə elektromaqnit birinə bənzər, lakin daha mürəkkəb bir güc sahəsi ilə yaradıla bilər. Elektrik qüvvələri əks işarəli yüklərlə iki hissəciyin bağlı vəziyyətinin yaranmasına səbəb olur. Kvarklar vəziyyətində, üç hissəciyin bağlı vəziyyətləri yaranır ki, bu da üç növ "yükün" uyğun olduğu güc sahəsinin daha mürəkkəb təbiətini göstərir. Hissəciklər - kvarklar arasında qarşılıqlı təsir daşıyıcıları, onları cüt və ya üçlü birləşdirən adlanır. qluonlar.

Zəif qarşılıqlı əlaqədə vəziyyət bir qədər fərqlidir. Bu qarşılıqlı əlaqənin radiusu olduqca kiçikdir. Buna görə də zəif qarşılıqlı təsirin daşıyıcıları böyük istirahət kütlələri olan hissəciklər olmalıdır. Belə bir kütlədə olan enerji, artıq səh. 50. Lakin "borc alınan" kütlə (və buna görə də enerji) çox böyük olduğundan, qeyri-müəyyənlik prinsipi belə bir kreditin ödəmə müddətinin son dərəcə qısa olmasını tələb edir - cəmi 10^-28s. Belə qısa ömürlü hissəciklərin çox uzağa getməyə vaxtı yoxdur və onların daşıdığı qarşılıqlı təsir radiusu çox kiçikdir.

Əslində iki növ zəif qüvvə daşıyıcısı var. Onlardan biri istirahət kütləsindən başqa hər şeydə fotona bənzəyir. Bu hissəciklərə Z hissəcikləri deyilir. Z hissəcikləri əslində yeni bir işıq növüdür. Zəif qüvvə daşıyıcısının başqa bir növü olan W hissəcikləri Z hissəciklərindən elektrik yükünün olması ilə fərqlənir. ch. 7 yalnız 1983-cü ildə kəşf edilmiş Z və W hissəciklərinin xassələrini daha ətraflı müzakirə edəcəyik.

Hissəciklərin kvarklara, leptonlara və qarşılıqlı təsir daşıyıcılarına təsnifatı məlum atomaltı hissəciklərin siyahısını tamamlayır. Bu hissəciklərin hər biri Kainatın yaranmasında özünəməxsus, lakin həlledici rol oynayır. Əgər daşıyıcı hissəciklər olmasaydı, qarşılıqlı təsirlər olmazdı və hər bir hissəcik öz tərəfdaşları haqqında qaranlıqda qalardı. Mürəkkəb sistemlər yarana bilməzdi, hər hansı bir fəaliyyət qeyri-mümkün olardı. Kvarklar olmasaydı, atom nüvələri və ya günəş işığı olmazdı. Leptonlar olmasaydı, atomlar mövcud ola bilməz, kimyəvi quruluşlar və həyatın özü yaranmazdı.

Hissəciklər fizikasının məqsədləri nələrdir?

Böyük Britaniyanın nüfuzlu “The Guardian” qəzeti bir dəfə milli elm büdcəsinin əhəmiyyətli hissəsini deyil, həm də aslan payını sərf edən bahalı bir iş olan hissəciklər fizikasının inkişafının müdrikliyini şübhə altına alan redaksiya məqaləsi dərc etmişdir. ən yaxşı ağıllar. "Fiziklər nə etdiklərini bilirlərmi?", "Guardian" soruşdu. "Onlar bilsələr belə, bunun nə faydası var? Fiziklərdən başqa kimə bu hissəciklər lazımdır?"

Bu nəşrdən bir neçə ay sonra ABŞ prezidentinin elm üzrə müşaviri Corc Keyvortun Baltimorda mühazirəsinə qatılmaq imkanım oldu. Keyvort zərrəciklər fizikasına da müraciət etdi, lakin onun mühazirəsi tamamilə fərqli bir ton aldı. Amerikalı fizikləri Avropanın aparıcı hissəciklər fizikası laboratoriyası olan CERN-in nəhayət böyük proton-antiproton toqquşan şüa toqquşdurucuda əldə edilən əsas W və Z hissəciklərinin kəşfi haqqında hazırladığı hesabatı heyran etdi. Amerikalılar buna öyrəşiblər ki, bütün sensasiyalı kəşflər onların yüksək enerjili fizika laboratoriyalarında edilir. Onların xurma itirmələri elmi, hətta milli tənəzzüldən xəbər vermirmi?

Keyvort şübhə etmirdi ki, bütövlükdə Birləşmiş Ştatların və xüsusən də Amerika iqtisadiyyatının çiçəklənməsi üçün ölkənin elmi tədqiqatlarda ön sıralarda olması lazımdır. Əsas layihələr əsas tədqiqat Keyvortun sözlərinə görə, tərəqqinin önündədirlər. Birləşmiş Ştatlar hissəciklər fizikasında öz üstünlüyünü bərpa etməlidir,

Elə həmin həftə xəbər kanalları zərrəciklər fizikasında yeni nəsil eksperimentlər aparmaq üçün nəzərdə tutulmuş nəhəng sürətləndirici üçün Amerika layihəsi haqqında xəbərlər yaydılar. Əsas xərc 2 milyard dollar qiymətləndirilirdi ki, bu da bu sürətləndiricini indiyə qədər insan tərəfindən hazırlanmış ən bahalı maşın etdi. CERN-in yeni LEP sürətləndiricisini belə cırtdan edəcək bu nəhəng Sam dayı o qədər böyükdür ki, bütün Lüksemburq əyaləti onun halqasına sığdıra bilərdi! Nəhəng superkeçirici maqnitlər hissəciklər şüasını qıvraraq onu halqavari kamera boyunca istiqamətləndirəcək intensiv maqnit sahələri yaratmaq üçün nəzərdə tutulmuşdur; o qədər böyük bir quruluşdur ki, yeni sürətləndiricinin səhrada yerləşdiyi güman edilir. “Qardian” qəzetinin redaktorunun bu haqda nə düşündüyünü bilmək istərdim.

Superkeçirici Super Kollayder (SSC) kimi tanınır, lakin daha çox "de-zertron" (ingilis dilindən. səhra - səhra. - Red.), bu dəhşətli maşın protonları qalan enerjidən (kütlədən) təxminən 20 min dəfə yüksək enerjilərə sürətləndirə biləcək. Bu rəqəmləri müxtəlif yollarla şərh etmək olar. Maksimum sürətlənmə zamanı hissəciklər işığın sürətindən - Kainatdakı maksimal sürətdən cəmi 1 km/saat az sürətlə hərəkət edəcəklər. Relyativistik təsirlər o qədər böyükdür ki, hər bir hissəciyin kütləsi istirahətdə olduğundan 20 min dəfə böyükdür. Belə bir hissəciklə əlaqəli sistemdə vaxt o qədər uzanır ki, istinad çərçivəmizdə 1 s 5,5 saata uyğun gəlir. Hissəciyin keçdiyi kameranın hər kilometri yalnız 5,0 sm-ə qədər sıxılmış kimi "görünür".

Hansı fövqəladə ehtiyac dövlətləri atomun getdikcə daha dağıdıcı parçalanmasına bu qədər böyük vəsait xərcləməyə məcbur edir? Belə tədqiqatın praktiki faydası varmı?

İstənilən böyük elm, təbii ki, milli prioritet uğrunda mübarizə ruhuna yad deyil. Burada, incəsənətdə və ya idmanda olduğu kimi, mükafatlar qazanmaq və dünya şöhrəti qazanmaq xoşdur. Hissəciklər fizikası dövlət hakimiyyətinin bir növ simvoluna çevrilmişdir. Əgər o, uğurla inkişaf edirsə və nəzərəçarpacaq nəticələr verirsə, bu, elmin, texnologiyanın, eləcə də bütövlükdə ölkə iqtisadiyyatının, əsasən, lazımi səviyyədə olduğunu göstərir. Bu, digər daha ümumi texnologiya sahələrindən olan məhsulların yüksək keyfiyyətinə inamı dəstəkləyir. Sürətləndirici və bütün əlaqəli avadanlıq yaratmaq üçün çox yüksək səviyyə peşəkarlıq. Yeni texnologiyaların inkişafı nəticəsində əldə edilən dəyərli təcrübə digər elmi tədqiqat sahələrinə gözlənilməz və faydalı təsirlər göstərə bilər. Məsələn, ABŞ-da iyirmi ildir ki, “desertron” üçün lazım olan ifratkeçirici maqnitlər üzərində tədqiqat və inkişaf işləri aparılır. Bununla belə, onlar birbaşa fayda vermirlər və buna görə də onları qiymətləndirmək çətindir. Daha nəzərəçarpacaq nəticələr varmı?

İnsan bəzən fundamental tədqiqatları dəstəkləyən başqa bir arqument eşidir. Fizika texnologiyadan təxminən əlli il irəlidədir. Bu və ya digərinin praktik tətbiqi elmi kəşfƏvvəlcə aydın olmasa da, fundamental fizikanın əhəmiyyətli nailiyyətlərindən bir neçəsi zaman keçdikcə praktik tətbiq tapmadı. Maksvellin elektromaqnetizm nəzəriyyəsini xatırlayaq: onun yaradıcısı müasir telekommunikasiya və elektronikanın yaradılmasını və uğurunu qabaqcadan görə bilərdimi? Və Ruterfordun nüvə enerjisinin heç vaxt tapmayacağına dair sözləri praktik istifadə? Elementar zərrəciklər fizikasının inkişafının nəyə gətirib çıxara biləcəyini, ətrafımızdakı dünya haqqında anlayışımızı genişləndirəcək və bizə daha geniş insanlar üzərində güc verəcək hansı yeni qüvvələrin və yeni prinsiplərin kəşf ediləcəyini proqnozlaşdırmaq mümkündürmü? fiziki hadisələr. Və bu, radio və ya nüvə enerjisindən daha az inqilabi olmayan texnologiyaların inkişafına səbəb ola bilər.

Elmin əksər sahələri nəhayət hərbi tətbiq tapdı. Bu baxımdan hissəciklər fizikası (nüvə fizikasından fərqli olaraq) indiyə qədər toxunulmaz olaraq qalmışdır. Təsadüfən Keyvortun mühazirəsi prezident Reyqanın raket əleyhinə, şüa, silah adlandırılan (bu layihə Strateji Müdafiə Təşəbbüsü, SDI adlı proqramın bir hissəsidir) yaradılması ilə bağlı mübahisəli layihəsi ətrafında reklam şırıngası ilə üst-üstə düşdü. Bu layihənin mahiyyəti düşmən raketlərinə qarşı yüksək enerjili hissəcik şüalarından istifadə etməkdir. Hissəciklər fizikasının bu tətbiqi həqiqətən də pisdir.

Bu cür cihazların yaradılmasının mümkün olmadığı fikri üstünlük təşkil edir. Elementar hissəciklər fizikası sahəsində çalışan alimlərin əksəriyyəti bu fikirləri absurd və qeyri-təbii hesab edir və prezidentin təklifinin əleyhinə kəskin çıxış edirlər. Alimləri qınayan Keyvort onları şüa silahı layihəsində "hansı rol oynaya biləcəklərini düşünməyə" çağırıb. Keyvortun fiziklərə müraciəti (təbii ki, sırf təsadüf nəticəsində) onun yüksək enerji fizikasının maliyyələşdirilməsi ilə bağlı dediklərindən sonra gəldi.

Qəti inanıram ki, yüksək enerjili fiziklər tətbiqlərə (xüsusilə də hərbi olanlara), tarixi analoqlara və ya mümkün texniki möcüzələrə dair qeyri-müəyyən vədlərə istinad etməklə fundamental tədqiqatlara ehtiyacı əsaslandırmaq lazım deyil. Fiziklər bu araşdırmaları ilk növbədə, dünyamızın necə işlədiyini öyrənmək, təbiəti daha ətraflı dərk etmək istəyi naminə aparırlar. Hissəciklər fizikası digər fənlər arasında misilsizdir insan fəaliyyəti. İki min yarım ildir ki, bəşəriyyət kainatın orijinal “tikinti bloklarını” tapmağa çalışırdı və indi biz buna yaxınıq. son məqsəd. Nəhəng qurğular bizə maddənin ürəyinə nüfuz etməyə və təbiətdən onun ən dərin sirlərini götürməyə kömək edəcək. Bəşəriyyət yeni kəşflərin, əvvəllər məlum olmayan texnologiyaların gözlənilməz tətbiqlərini gözləyə bilər, lakin belə çıxa bilər ki, yüksək enerjili fizika təcrübə üçün heç nə verməyəcək. Ancaq hətta əzəmətli bir kafedral və ya konsert zalının praktik istifadəsi azdır. Bu baxımdan, bir dəfə qeyd edən Faradey sözlərini xatırlamağa kömək edə bilməz: "Yeni doğulmuş körpənin nə faydası var?" Elementar zərrəciklərin fizikasını əhatə edən praktikadan uzaq insan fəaliyyəti növləri insan ruhunun təzahürünə sübut kimi xidmət edir, onsuz biz həddən artıq maddi və praqmatik dünyamızda məhvə məhkum olardıq.

Yüksək enerjili hissəciklərin toqquşduğu qurğular - hissəcik sürətləndiriciləri öz ölçüləri və qiymətləri ilə diqqəti cəlb edir. Onlar bir neçə kilometr eninə çatırlar, hətta hissəciklərin toqquşmasını tədqiq edən laboratoriyalar da nisbətən kiçik görünür. Elmi tədqiqatın digər sahələrində avadanlıq laboratoriyada, yüksək enerjili fizikada laboratoriyalar sürətləndiriciyə qoşulur. Bu yaxınlarda Cenevrə yaxınlığında yerləşən Avropa Nüvə Tədqiqatları Mərkəzi (CERN) halqa sürətləndiricisinin tikintisinə bir neçə yüz milyon dollar ayırıb. Bu məqsədlə tikilən tunelin ətrafı 27 km-ə çatır. LEP (Böyük Elektron-Pozitron halqası) adlanan sürətləndirici elektronları və onların antihissəciklərini (pozitronlarını) işıq sürətindən yalnız “bir tük eni” olan sürətlərə sürətləndirmək üçün nəzərdə tutulub. Enerji miqyası haqqında bir fikir əldə etmək üçün təsəvvür edin ki, elektronlar əvəzinə bir qəpik sikkə belə sürətlərə qədər sürətlənir. Sürətlənmə dövrünün sonunda onun 1000 milyon dollar dəyərində elektrik enerjisi istehsal etmək üçün kifayət qədər enerjisi olacaq! Təəccüblü deyil ki, bu cür təcrübələr adətən “yüksək enerji” fizikası kimi təsnif edilir. Halqa içərisində bir-birinə doğru hərəkət edən elektron və pozitron şüaları baş-başa toqquşmalarla qarşılaşır, bu toqquşmalarda elektronlar və pozitronlar məhv olur və onlarla başqa hissəciklər yaratmaq üçün kifayət qədər enerji buraxır.

Təxminən iyirmi il əvvəl fizikləri sonu olmayan yeni subatom hissəciklərinin sayı və müxtəlifliyi tamamilə çaşdırmışdı. Başa düşmək mümkün deyildi Nə üçün bu qədər hissəciklər. Bəlkə də elementar hissəciklər gizli ailə mənsubiyyəti ilə, lakin heç bir aydın taksonomiyası olmayan zooparkın sakinləri kimidir. Yoxsa, bəzi optimistlərin inandığı kimi, elementar hissəciklər kainatın açarını saxlayır? Fiziklərin müşahidə etdiyi hissəciklər hansılardır: maddənin əhəmiyyətsiz və təsadüfi fraqmentləri və ya gözümüzün qabağında yaranan, subnüvə dünyanın zəngin və mürəkkəb strukturunun mövcudluğunu göstərən qeyri-müəyyən qəbul edilən nizamın konturları? İndi belə bir strukturun mövcudluğuna heç bir şübhə yoxdur. Mikro dünyanın dərin və rasional nizamı var və biz bütün bu hissəciklərin mənasını anlamağa başlayırıq.

Kütlə və çəki bir-birinə bağlı olduğundan, yüksək kütləli hissəciklər çox vaxt “ağır” adlanır. Eynşteyn münasibəti E =mc^ 2 göstərir ki, hissəciyin kütləsi onun enerjisindən və deməli, sürətindən asılıdır. Hərəkət edən hissəcik sabitdən daha ağırdır. Onlar zərrəciklərin kütləsi haqqında danışanda onu nəzərdə tuturlar istirahət kütləsi,çünki bu kütlə hərəkət vəziyyətindən asılı deyildir. Sükunət kütləsi sıfır olan hissəcik işıq sürəti ilə hərəkət edir. Sükunət kütləsi sıfır olan zərrəciyin ən bariz nümunəsi fotondur. Hesab edilir ki, elektron sıfırdan fərqli istirahət kütləsi olan ən yüngül hissəcikdir. Proton və neytron təxminən 2000 dəfə ağırdır, laboratoriyada yaradılmış ən ağır hissəcik (Z hissəciyi) isə elektronun kütləsindən təxminən 200.000 dəfə ağırdır.

ch. 2 hissəciklərin başqa bir xüsusiyyətini - spini təqdim etdik. Həmişə tarixi səbəblərə görə 1 olaraq seçilən bəzi fundamental vahidlərin qatları olan dəyərləri də götürür. /2. Beləliklə, bir proton, neytron və elektron bir spinə malikdir 1/2, fotonun spini isə 1-dir.Spin 0,3/2 və 2 olan hissəciklər də məlumdur.Spin 2-dən böyük olan fundamental hissəciklər kəşf edilməmişdir və nəzəriyyəçilər belə spinli hissəciklərin mövcud olmadığına inanırlar.

Hissəciyin spini mühüm xüsusiyyətdir və qiymətindən asılı olaraq bütün hissəciklər iki sinfə bölünür. Spinləri 0, 1 və 2 olan hissəciklər "bozonlar" adlanır - hind fiziki Chatyendranath Bose-nin şərəfinə və yarım tam spinli hissəciklər (yəni spin 1/2 və ya 3/2 olan) - Enriko Ferminin şərəfinə "fermionlar". Bu iki sinifdən birinə aid olmaq zərrəciyin xüsusiyyətləri siyahısında yəqin ki, ən mühümdür.

Zərrəciyin digər mühüm xüsusiyyəti onun ömrüdür. Son vaxtlara qədər elektronların, protonların, fotonların və neytrinoların tamamilə sabit olduğuna inanılırdı, yəni. sonsuz uzun ömür var. Neytron nüvədə "bağlı" olduğu müddətdə sabit qalır, lakin sərbəst neytron təqribən 15 dəqiqə ərzində parçalanır.Bütün digər məlum hissəciklər olduqca qeyri-sabitdir, ömürləri bir neçə mikrosaniyədən 10-23 saniyəyə qədər dəyişir.Belə zaman intervalları anlaşılmaz görünür. kiçik, lakin unutmaq olmaz ki, işıq sürətinə yaxın sürətlə uçan hissəcik (və sürətləndiricilərdə doğulan hissəciklərin əksəriyyəti məhz belə sürətlə hərəkət edir) mikrosaniyədə 300 m məsafəni uçmağı bacarır.

Fiziklər üçün bu və ya digər hissəciklərin mövcud olduğunu bilmək kifayət deyil, onun rolunun nə olduğunu anlamağa çalışırlar. Bu sualın cavabı yuxarıda sadalanan hissəciklərin xassələrindən, həmçinin zərrəyə xaricdən və onun daxilindən təsir edən qüvvələrin təbiətindən asılıdır. Hər şeydən əvvəl, hissəciyin xassələri onun güclü qarşılıqlı təsirlərdə iştirak etmək qabiliyyəti (və ya qabiliyyəti) ilə müəyyən edilir. Güclü qarşılıqlı təsirlərdə iştirak edən hissəciklər xüsusi bir sinif təşkil edir və adlanır andronlar. Zəif qarşılıqlı təsirlərdə iştirak edən və güclü qarşılıqlı təsirlərdə iştirak etməyən hissəciklər deyilir leptonlar,"ağciyərlər" deməkdir. Gəlin bu ailələrin hər birinə qısaca nəzər salaq.

Müxtəlif elementlərin atomlarının nüvələrinin parçalanması hal-hazırda kifayət qədər geniş istifadə olunur. Bütün atom elektrik stansiyaları parçalanma reaksiyası ilə işləyir, hər şeyin işləmə prinsipi bu reaksiyaya əsaslanır. nüvə silahları. İdarə olunan və ya zəncirvari reaksiya halında, hissələrə bölünən atom artıq birləşə və ilkin vəziyyətinə qayıda bilməz. Lakin alimlər kvant mexanikasının prinsip və qanunlarından istifadə edərək atomun özünün bütövlüyünü pozmadan atomu iki yarıya bölüb yenidən birləşdirməyi bacardılar.

Bonn Universitetinin alimləri obyektlərin eyni vaxtda bir neçə ştatda mövcud olmasına imkan verən kvant qeyri-müəyyənliyi prinsipindən istifadə ediblər. Təcrübədə bəzi fiziki hiylələrin köməyi ilə elm adamları bir atomu eyni anda iki yerdə mövcud olmağa məcbur etdilər, aralarındakı məsafə millimetrin yüzdə birindən bir qədər çox idi, bu atom miqyasında sadəcə böyük bir məsafədir. .

Belə kvant effektləri yalnız son dərəcə aşağı temperaturda görünə bilər. Sezium atomu lazer işığından istifadə edərək dərəcənin milyonda birinin onda biri temperaturda soyudulmuşdur. mütləq sıfır. Soyudulmuş atom daha sonra başqa bir lazerdən gələn işıq şüası ilə optik olaraq tutuldu.

Məlumdur ki, atomun nüvəsi iki istiqamətdən birində fırlana bilir, fırlanma istiqamətindən asılı olaraq lazer işığı nüvəni sağa və ya sola itələyir. "Ancaq müəyyən kvant vəziyyətində olan bir atom "parçalanmış şəxsiyyətə" malik ola bilər, onun yarısı bir istiqamətdə, digəri isə əks istiqamətdə fırlanır. Ancaq eyni zamanda, atom yenə də bütöv bir cisimdir. ” fizik Andreas Steffen deyir. Beləliklə, hissələri fırlanan atomun nüvəsi əks istiqamətlər, lazer şüası ilə iki hissəyə bölünə bilər və atomun bu hissələri xeyli məsafədə ayrıla bilər ki, elm adamları təcrübə zamanı buna nail oldular.

Alimlər iddia edirlər ki, oxşar üsuldan istifadə etməklə kvant məlumatının ötürücüləri olan “kvant körpüləri” yaratmaq mümkündür. Bir maddənin atomu bitişik atomlarla təmasda olana qədər bir-birindən ayrılan yarıya bölünür. Yol səthi kimi bir şey əmələ gəlir, körpünün iki sütununu birləşdirən bir aralıq, məlumatların ötürülməsi mümkündür. Bu, bu şəkildə bölünmüş bir atomun kvant səviyyəsində bir bütün olaraq qalmağa davam etməsi, atomun hissələrinin kvant səviyyəsində dolaşıq olması səbəbindən mümkündür.

Bonn Universitetinin alimləri mürəkkəb kvant sistemlərini simulyasiya etmək və yaratmaq üçün belə texnologiyadan istifadə etmək niyyətindədirlər. Komandanın rəhbəri Dr Andrea Alberti deyir: "Bizim üçün atom yaxşı yağlanmış dişli kimidir". "Bu dişlilərin bir çoxunu istifadə edərək, ən qabaqcıl kompüterlərinkindən çox üstün xüsusiyyətlərə malik kvant hesablama cihazı yarada bilərsiniz. Sadəcə olaraq, bu dişliləri düzgün yerləşdirməyi və birləşdirməyi bacarmalısınız."

1939-cu ildəAlbert EynşteynNasistlər qarşısında atom çürüməsinin enerjisini mənimsəmək üçün hər cür səy göstərmək təklifi ilə prezident Ruzveltə müraciət etdi. Həmin vaxt o, faşist İtaliyasından mühacirət etmişdiEnriko Fermiartıq Kolumbiya Universitetində bu problem üzərində işləyirdi.

(Avropa Hissəciklər Fizikası Laboratoriyasının sürətləndirici kamerasında (CERN), Avropanın ən böyük mərkəzi. Paradoksal olaraq, ən kiçik hissəcikləri öyrənmək üçün nəhəng strukturlara ehtiyac var.)

Giriş

1854-cü ildə alman Heinrich Geisler. (1814-79) Heusler borusu adlanan elektrodlu vakuum şüşə boru və yüksək vakuum əldə etməyə imkan verən civə nasosu icad etdi. Borunun elektrodlarına yüksək gərginlikli induksiya sarğı qoşaraq, mənfi elektrodun qarşısındakı şüşədə yaşıl bir parıltı aldı. 1876-cı ildə alman fiziki Yevgeni Qoldşteyn(1850-1931) bu parıltının katodun yaydığı şüalardan qaynaqlandığını irəli sürmüş və bu şüaları katod şüaları adlandırmışdır.

(Yeni Zelandiyalı fizik Ernest Ruterford (1871-1937) 1919-cu ildə rəhbərlik etdiyi Kembric Universitetinin Kavendiş laboratoriyasında.)

Elektronlar

İngilis alimi William Crooks(1832-1919) Heusler borusunu təkmilləşdirdi və maqnit sahəsi ilə katod şüalarının yayındırılmasının mümkünlüyünü göstərdi. 1897-ci ildə başqa bir ingilis tədqiqatçısı Cozef Tomson şüaların mənfi yüklü hissəciklər olduğunu irəli sürdü və onların kütləsini təyin etdi ki, bu da hidrogen atomunun kütləsindən təxminən 2000 dəfə az olduğu ortaya çıxdı. O, bu hissəcikləri bir neçə il əvvəl İrlandiya fizikinin təklif etdiyi adı götürərək elektron adlandırdı Corc Stouni(1826-1911), onların yükünün böyüklüyünü nəzəri olaraq hesablayan. Atomun bölünə bilməsi belə aydın oldu. Tomson, elektronların bir keksdəki kişmiş kimi atomun hər tərəfinə səpələndiyi bir model təklif etdi. Və tezliklə atoma daxil olan digər hissəciklər kəşf edildi. 1895-ci ildə o, Cavendish laboratoriyasında işləməyə başladı Ernest Ruterford(1871-1937), Tomson ilə birlikdə uranın radioaktivliyini tədqiq etməyə başlayan və bu elementin atomlarının buraxdığı iki növ hissəcik kəşf etdi. O, elektron beta hissəciklərinin yükü və kütləsi olan hissəcikləri, kütləsi 4 hidrogen atomunun kütləsinə bərabər olan müsbət yüklü digərlərini isə alfa hissəcikləri adlandırdı. Bundan əlavə, uran atomları yüksək tezlikli elektromaqnit şüalanması - qamma şüalarının mənbəyi idi.

(Otto Hahn və Lise Meitner. 1945-ci ildə Qan idiİngiltərədə müttəfiqlər tərəfindən internat edildi və o, 1944-cü ildə “ağır nüvələrin parçalanmasının kəşfinə görə” kimya üzrə Nobel mükafatına layiq görüldüyünü öyrəndi.)

Protonlar

1886-cı ildə Qoldşteyn katod şüalarına əks istiqamətdə yayılan başqa bir radiasiya kəşf etdi və onu katod şüaları adlandırdı. Sonralar onların atom ionlarından ibarət olduğu sübut olundu. Ruterford müsbət hidrogen ionunu pro adlandırmağı təklif etditon (yunan dilindənproton- birinci), çünki o, hidrogen nüvəsini bütün digər elementlərin atom nüvələrinin tərkib hissəsi hesab edirdi. Beləliklə, 20-ci əsrin əvvəllərində. Üç atomaltı hissəciklərin mövcudluğu müəyyən edildi: elektron, proton və alfa hissəcik. IN1907 Cənab Ruterford Mançester Universitetində professor oldu. Burada atomun quruluşunu anlamağa çalışaraq, alfa hissəciklərinin səpilməsi ilə bağlı məşhur təcrübələrini apardı. Bu zərrəciklərin nazik metal folqadan keçməsini tədqiq edərək, o, atomun mərkəzində alfa hissəciklərini əks etdirə bilən kiçik sıx nüvənin olduğu qənaətinə gəlib. O zaman Ruterfordun köməkçisi gənc danimarkalı fizik idi.Niels Bohr(1885-1962), hansında1913 məsələn, bu yaxınlarda yaradılmış kvant nəzəriyyəsinə uyğun olaraq atomun quruluşunun modelini təklif etdi.Ruterford-Bohr modeli. Onda elektronlar Günəş ətrafında planetlər kimi nüvənin ətrafında fırlanırdı.

( Enriko Fermi (1901-54) maddənin neytron şüalanmasına dair işinə görə 1938-ci ildə Nobel mükafatı aldı. 1942-ci ildə o, ilk dəfə atom nüvələrinin parçalanmasının özünü təmin edən zəncirvari reaksiyasını həyata keçirdi.)

Atom modelləri

Bu birinci modeldə nüvə müsbət yüklü protonlardan və onların yükünü qismən neytrallaşdıran bir sıra elektronlardan ibarət idi; əlavə olaraq əlavə elektronlar nüvənin ətrafında hərəkət edirdi, onların ümumi yükü nüvənin müsbət yükünə bərabər idi.Alfa hissəcikləri, helium atomlarının nüvələri kimi, ibarət olmalı idi4 protonlar və2 elektronlar.Bitdi10 bu modelə yenidən baxılmadan illər əvvəl. IN1930 Cənab Alman Valter Bothe(1891-1957) berilyumun alfa hissəcikləri ilə şüalanması zamanı yaranan yeni növ radioaktiv şüalanmanın kəşfini elan etdi. ingilisJames Chadwick(1891-1974) bu təcrübələri təkrarladı və belə nəticəyə gəldi ki, bu şüalanma kütləsi protonlara bərabər, lakin elektrik yükü olmayan hissəciklərdən ibarətdir. Onlara neytronlar deyilirdi. Sonra almanVerner Heyzenberq(1901-76) nüvəsi yalnız proton və neytronlardan ibarət olan atom modelini təklif etdi.İlk atomaltı hissəcik sürətləndiricilərindən birinə sahib bir qrup tədqiqatçı -siklotron(1932). Bu cihaz hissəcikləri sürətləndirmək və daha sonra onlarla xüsusi hədəfləri bombalamaq üçün nəzərdə tutulub.

(İlk atomaltı hissəcik sürətləndiricilərindən biri olan bir qrup tədqiqatçı - siklotron (1932). Bu cihaz hissəcikləri sürətləndirmək və daha sonra onlarla xüsusi hədəfləri bombalamaq üçün nəzərdə tutulub.)

Atomun parçalanması

Bütün dünya fizikləri dərhal neytronlarda atomlara təsir etmək üçün ideal bir alət gördülər - bu ağır, yüksüz hissəciklər atom nüvələrinə asanlıqla nüfuz edirdi. IN1934-36 İtaliya Enriko Fermi(1901-54) yardımlarını aldılar37 müxtəlif elementlərin radioaktiv izotopları. Bir neytronu udmaqla atom nüvəsi qeyri-sabit oldu və qamma şüaları şəklində enerji buraxdı. Fermi ümid edərək uranı neytronlarla şüalandırdıəvvəlonu yeni elementə - “urana” çevirmək.Eyni istiqamətdə Berlində alman Otto Han(1879-1 Svə avstriyalıLise Meitner(1878 - 1968). IN1938 Nasistlərdən qaçan xanım Meitner Stokholma getdi və onunla birlikdə işləməyə davam etdi.Friedrich Strassmann(1902-80). Tezliklə Hahn və Meitner təcrübəni davam etdirərək və nəticələri yazışma yolu ilə müqayisə edərək, neytron şüalanan uranda radioaktiv bariumun əmələ gəlməsini kəşf etdilər. Meitner mənim uran atomu olduğumu təklif etdi (atom nömrəsi92) yarışiki nüvəyə bölünür: barium (elementin atom nömrəsi ilə43 sonradan adlandırılmışdırtexnetium). Beləliklə, atom nüvəsinin parçalanma ehtimalı kəşf edildi. Həmçinin müəyyən edilmişdir ki, uran atomunun nüvəsi məhv edildikdə,2-3 neytronlar, hər biri öz növbəsində uran atomlarının parçalanmasını başlatmağa qadirdir, böyük miqdarda enerjinin ayrılması ilə zəncirvari reaksiyaya səbəb olur...

Yüksək enerjili hissəciklərin toqquşduğu qurğular - hissəcik sürətləndiriciləri öz ölçüləri və qiymətləri ilə diqqəti cəlb edir. Onlar bir neçə kilometr eninə çatırlar, hətta hissəciklərin toqquşmasını tədqiq edən laboratoriyalar da nisbətən kiçik görünür. Elmi tədqiqatın digər sahələrində avadanlıq laboratoriyada, yüksək enerjili fizikada laboratoriyalar sürətləndiriciyə qoşulur. Bu yaxınlarda Cenevrə yaxınlığında yerləşən Avropa Nüvə Tədqiqatları Mərkəzi (CERN) halqa sürətləndiricisinin tikintisinə bir neçə yüz milyon dollar ayırıb. Bu məqsədlə tikilən tunelin ətrafı 27 km-ə çatır. LEP (Böyük Elektron-Pozitron halqası) adlanan sürətləndirici elektronları və onların antihissəciklərini (pozitronlarını) işıq sürətindən yalnız “bir tük eni” olan sürətlərə sürətləndirmək üçün nəzərdə tutulub. Enerji miqyası haqqında bir fikir əldə etmək üçün təsəvvür edin ki, elektronlar əvəzinə bir qəpik sikkə belə sürətlərə qədər sürətlənir. Sürətlənmə dövrünün sonunda onun 1000 milyon dollar dəyərində elektrik enerjisi istehsal etmək üçün kifayət qədər enerjisi olacaq! Təəccüblü deyil ki, bu cür təcrübələr adətən “yüksək enerji” fizikası kimi təsnif edilir. Halqa içərisində bir-birinə doğru hərəkət edən elektron və pozitron şüaları baş-başa toqquşmalarla qarşılaşır, bu toqquşmalarda elektronlar və pozitronlar məhv olur və onlarla başqa hissəciklər yaratmaq üçün kifayət qədər enerji buraxır.

Nəzərə almaq lazımdır ki, bütün bu çoxsaylı və müxtəlif qeyri-sabit hissəciklər sözün əsl mənasında protonların, neytronların və ya elektronların komponentləri deyil. Toqquşma zamanı yüksək enerjili elektronlar və pozitronlar çoxlu atomaltı fraqmentlərə səpələnmir. Hətta açıq-aydın başqa cisimlərdən (kvarklardan) ibarət olan yüksək enerjili protonların toqquşmalarında belə, onlar, bir qayda olaraq, adi mənada öz tərkib hissələrinə bölünmürlər. Bu cür toqquşmalarda baş verənlərə toqquşmanın enerjisindən birbaşa yeni hissəciklərin yaranması kimi baxmaq daha yaxşıdır.

Təxminən iyirmi il əvvəl fizikləri sonu olmayan yeni subatom hissəciklərinin sayı və müxtəlifliyi tamamilə çaşdırmışdı. Nə üçün bu qədər çox hissəcik olduğunu anlamaq mümkün deyildi. Bəlkə də elementar hissəciklər gizli ailə mənsubiyyəti ilə, lakin heç bir aydın taksonomiyası olmayan zooparkın sakinləri kimidir. Yoxsa, bəzi optimistlərin inandığı kimi, elementar hissəciklər kainatın açarını saxlayır? Fiziklərin müşahidə etdiyi hissəciklər hansılardır: maddənin əhəmiyyətsiz və təsadüfi fraqmentləri və ya gözümüzün qabağında yaranan, subnüvə dünyanın zəngin və mürəkkəb strukturunun mövcudluğunu göstərən qeyri-müəyyən qəbul edilən nizamın konturları? İndi belə bir strukturun mövcudluğuna heç bir şübhə yoxdur. Mikro dünyanın dərin və rasional nizamı var və biz bütün bu hissəciklərin mənasını anlamağa başlayırıq.